一、石墨烯简介

石墨烯是一种由碳原子构成的单原子层片状结构的新材料，有极好的透光性和导热性，石墨烯材料是已知的最薄、最坚硬、电阻率最小的材料。

石墨烯它一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

从专业角度来说，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。

石墨烯的应用广泛，石墨烯是已知的最薄的一种材料，具有超强的导电性和强度、优异的光学、电学、力学特性等优点。石墨烯在材料学、微纳米加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板。也可以制作现在比较热门的石墨烯电池。

石墨烯具有极高的比表面积、强度高、化学稳定性好、可修饰性强以及导电性好等优点，石墨烯不仅可很好地吸附水中的有机溶剂、重金属等污染物，还可作为催化剂载体，催化水中污染物的降解，因而作为污水处理材料被人们广泛研究。石墨烯水处理薄膜广泛应用于水处理行业。

石墨烯的生产难度比较高，石墨烯的制备工艺比较难，导致石墨烯的价格比较昂贵。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法。

二、石墨烯衍生产品

1、氧化石墨烯：氧化石墨烯表面具有大量含氧基团，具有很好的溶剂溶解度，和聚合物的亲和性。氧化石墨烯是由氧化石墨烯溶胶通过真空冷冻干燥获得。氧化石墨烯在冷冻干燥的过程中不会因升温干燥失去表面含氧基团以及引起氧化石墨烯层间重叠。

2、纳米石墨烯片：纳米石墨烯片具有超大的形状比，具有优良的导电，润滑，耐腐，耐高温等特性。纳米石墨烯片厚度在4～20nm，微片大小在5～10μm，小于20层。纳米石墨烯片在导热方面显示了它优异的特性，应用在导热胶，导热高分子复合材料，散热材料中。

三、石墨烯及其衍生物在水处理方面的应用

1、对重金属离子的吸附

石墨烯材料对重金属离子吸附的研究，绝大多数集中于氧化石墨烯，因为氧化石墨烯含有丰富的含氧基团，这些含氧基团能够高效地与金属离子作用，因而其对重金属离子的吸附性能要优于石墨烯。

2、对有机物的吸附

石墨烯材料作为一种吸附剂也可用作吸附有机污染物，如染料、抗生素、杀虫剂、原油等。石墨烯材料的种类以及吸附质中是否含有-NH₂、-OH、-COOH等功能团对吸附的机理和过程具有很大的影响。石墨烯材料对有机物的吸附作用主要包括：静电作用、疏水作用、π-π键、氢键。

四、石墨烯复合材料在水处理方面的应用

1、石墨烯/金属氧化物复合材料吸附剂

（1）石墨烯/Fe₃O₄复合材料

Fe₃O₄具有较大的比表面积、良好的生物相容性及磁学性能，常用作水处理材料。但是Fe₃O₄粒径小，容易团聚，此外在连续流系统中，它会氧化成α，γ-Fe₃O₄。石墨烯和Fe₃O₄复合能有效克服上述缺点，而且复合后能增强Fe₃O₄的使用寿命，在吸附后期处理过程中能够快速分离，因而磁性石墨烯复合材料用作水处理的研究日益得到重视。

用石墨烯反应器（GAR）处理城市废水，如含药物（咖啡因、卡马西平、布洛芬和双氯芬酸）废水，对它们的去除率都高于95%。与传统活性炭相比，石墨烯反应器对药物混合物去除效果相当好。

（2）石墨烯与其它金属氧化物形成的复合材料

除Fe₃O₄外，石墨烯还可以和SiO₂、ZnO、MnO₂、CoFe₂O₄、ZrO₂形成复合材料用于水处理材料，这些复合材料不仅具有良好的吸附性，而且有的还对某种金属离子具有高度选择性。

2、石墨烯光催化复合材料

石墨烯具有优良的电子传输性能，在光催化过程中，将石墨烯和光催化材料复合，可以有效发挥两者的优势，通过协同效应，进一步增强复合材料的光催化性能。

（1）石墨烯/TiO₂复合材料

TiO₂是一种优异的光催化材料，但TiO₂光激发产生的电子-空穴对极易复合，而石墨烯具有的独特的电子传输特性可以降低光载流子的复合，提高TiO₂光催化效率。目前石墨烯/TiO₂复合材料主要用于光降解有机污染物，复合材料相比较TiO₂纳米粒子，其光催化性能有大幅度提高，目前石墨烯/TiO₂复合材料用作光降解的有机物有亚甲基蓝、罗丹明Ｂ、甲基橙、苯酚、丙酮、孔雀绿等。

（2）石墨烯与其它金属氧化物形成的复合材料

除TiO₂外，石墨烯还可以和其它的金属氧化物和化合物形成复合材料用作光催化材料，目前已经有CdS、ZnO、WO₃、CuO、Mn₃O₄、Mn₂O₃、SnO₂、Bi₂WO₆、ZnWO₄、Bi₂MoO₆、BiVO₄、BaCrO₄、CoFeO₄等金属氧化物及化合物。这些石墨烯复合材料有时显示出了比石墨烯/TiO₂还要高的光催化性能，一般来说，金属氧化物的形貌，在石墨烯面上分布及氧化物的缺陷对其光催化性能有重要的影响。目前该类石墨烯复合材料主要用作降解有机染料。

五、在海水淡化方面的应用

在石墨烯的众多显著特性中，它的恐水症可能是对水处理最有用的特性之一。石墨烯天然排斥水，但当其内部形成细孔时，允许快速渗透。这引发了关于使用石墨烯进行水过滤和脱盐的想法，特别是一旦制造这些微孔的技术已经实现。石墨烯薄片(带小孔穿孔)作为水过滤的一种方法被研究，因为它们能够让水分子通过，但阻止污染物和物质的通过。石墨烯的重量和尺寸小，有助于制造轻量、节能和环保的一代水过滤器和脱盐器。

人们发现，由氧化石墨烯制成的薄膜，除了水之外，对所有气体和蒸汽都是不透水的。进一步的研究发现，可以制作出一个精确的网状结构，以超高速分离尺寸非常相似的原子种类，从而实现超高效过滤。这为以快速和相对简单的方式使用海水作为饮用水资源的可能性打开了大门。

目前海水淡化主要采用两种方法淡化海水，即蒸馏法和反渗透法。蒸馏法主要被用于特大型海水淡化处理上及热能丰富的地方。反渗透膜法适用面非常的广，且脱盐率很高，因此被广泛使用。石墨烯的单层二维结构提供了一个非常大的表面积，有利于离子在石墨烯表面的存储。从理论上讲，平行的片层可以提供更富余的通道，盐离子可以很容易地通过这些通道进入石墨烯薄片的表面；其次，石墨烯片的高导电性可以消除对导电添加剂的需求，使石墨烯基电极材料具有更高的电吸附性能；另外，二维层状结构赋予石墨烯良好的机械柔性，使石墨烯片易于组装成具有较强的机械稳定性的石墨纸。石墨烯类炭材料一般来说包括石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯等。其中，氧化石墨烯中含有的大量的羧基、羟基和环氧基团等，有利于提高材料的亲水性和与其他溶剂的相容性。石墨烯在海水淡化领域的应用主要包括：太阳能海水淡化、电容去盐以及渗透膜。